[論文レビュー] Measurement of the $D^{*}$ longitudinal polarization in $B^0 o D^{*-}τ^{+}ν_τ$ decays

Aaij, R., R. Aaij+1105 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、√s = 7, 8, 13 TeVのpp衝突データ5 fb⁻¹を用いて、B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τ崩壊における最初のLHCbによる縦方向極化分率F_D*^Lの測定を報告する。低q²領域（<7 GeV²/c⁴）ではF_D*^L = 0.52 ± 0.07 ± 0.04、高q²領域（>7 GeV²/c⁴）ではF_D*^L = 0.34 ± 0.08 ± 0.02を測定し、平均で0.41 ± 0.06 ± 0.03を得た。これらはすべて、標準模型予測と整合的である。

ABSTRACT

The longitudinal polarization fraction of the $D^{*}$ meson is measured in $B^0 o D^{*-}τ^{+}ν_τ$ decays, where the $τ$ lepton decays to three charged pions and a neutrino, using proton-proton collision data collected by the LHCb experiment at center-of-mass energies of 7, 8 and 13 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 5 fb$^{-1}$. The $D^{*}$ polarization fraction $F_{L}^{D^{*}}$ is measured in two $q^{2}$ regions, below and above 7 GeV$^{2}/c^{4}$, where $q^{2}$ is defined as the squared invariant mass of the $τν_τ$ system. The $F_{L}^{D^{*}}$ values are measured to be $0.52 \pm 0.07 \pm 0.04$ and $0.34 \pm 0.08 \pm 0.02$ for the lower and higher $q^{2}$ regions, respectively. The first uncertainties are statistical and the second systematic. The average value over the whole $q^{2}$ range is: $$F_{L}^{D^{*}} = 0.41 \pm 0.06 \pm 0.03.$$ These results are compatible with the Standard Model predictions.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理現象に敏感な主要な観測量である、B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τ崩壊におけるD*メソンの縦方向極化分率F_D*^Lを測定すること。
• 新しいスカラー型またはテンソル型のオペレーターによる寄与が示唆される可能性があるF_D*^Lの逸脱を調査すること。
• Run 1およびRun 2のLHCから得た大規模データセットを用いた高精度な測定を行い、以前のBelleの結果を改善すること。
• 測定されたF_D*^Lが標準模型予測と整合的であるかどうかを検証し、R(D*)異常と照らし合わせること。

提案手法

• 測定は、D*⁻の静止系におけるD⁰崩壊生成物の角度分布に基づく。角度θ_Dは、D⁰の運動量とB⁰の逆方向との間の角度として定義される。
• 二重微分崩壊断面積は、d²Γ/dq²d cosθ_D = a_θD(q²) + c_θD(q²) cos²θ_Dとしてモデル化され、q²はτν_τ系の不変質量の二乗である。
• F_D*^L(q²)は、F_D*^L(q²) = [a_θD(q²) + c_θD(q²)] / [3a_θD(q²) + c_θD(q²)]により、角度係数から抽出される。
• 分析には、√s = 7, 8, 13 TeVのpp衝突データ5 fb⁻¹が用いられ、B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τおよびτ⁺ → π⁺π⁻π⁺(π⁰)ν_τの完全再構成が行われた。
• cosθ_D分布に対する同時フィットが、2つのq²チャンクで実行され、バックグラウンド成分はコントロールサンプルおよびシミュレーションを用いてモデル化された。
• 系統的不確実性は、テンプレートの再サンプリング、代替フィット戦略、および信号・バックグラウンドモデルの変更を用いて評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τ崩壊におけるD*メソンの縦方向極化分率F_D*^Lは、標準模型予測と整合的か？
• RQ2 R(D*)異常を考慮すると、F_D*^Lはq²領域ごとに、特に標準模型から著しく逸脱していると示唆されるか？
• RQ3 新しい物理の寄与、例えばスカラー型やテンソル型のオペレーターが、q²全域にわたるF_D*^L分布に与える影響は何か？
• RQ4 検出器効果、バックグラウンドモデル、シミュレーションの精度に起因する系統的不確実性は、最終的なF_D*^Lの決定にどのように影響するか？
• RQ5 LHCb実験は、以前のBelle測定と同等またはそれ以上の精度でF_D*^Lを測定することができるか？

主な発見

• q²領域が7 GeV²/c⁴未満の領域では、縦方向極化分率F_D*^Lは0.52 ± 0.07（統計）± 0.04（系統的）と測定された。
• q²領域が7 GeV²/c⁴を超える領域では、F_D*^Lは0.34 ± 0.08（統計）± 0.02（系統的）と測定された。
• 全q²範囲での平均F_D*^Lは0.41 ± 0.06（統計）± 0.03（系統的）であり、2つのq²チャンク間の全相関は-0.18であった。
• 結果は、標準模型予測（0.43〜0.46）と整合的であり、Belle共同研究グループの以前の測定F_D*^L = 0.60 ± 0.08（統計）± 0.04（系統的）とも整合的である。
• 系統的不確実性の主な寄与は、限られたテンプレート統計（全範囲で0.019）、信号選択（0.005）、チャンク遷移（0.007）によるものであった。
• 測定結果は、B⁰ → D*⁻τ⁺ν_τ崩壊振幅が標準模型と整合的であることを確認し、極化観測量において新しい物理の証拠は得られなかった。